Ein weltweit beliebtes Material - Keramik ist ziemlich spröd und hart. Aber ist es möglich, es zerspanend zu bearbeiten und wie erhält es die komplexen Formen, die im Alltag so häufig vorkommen?
Die keramische Produktion bezieht sich auf den Prozess der Herstellung von keramischen Materialien und Produkten. Keramik ist ein vielseitiges Material, das aus anorganischen, nichtmetallischen Verbindungen hergestellt wird und in vielen Bereichen des täglichen Lebens Verwendung findet. Die keramische Produktion umfasst eine Vielzahl von Produktionsschritten (Vorgängen), bis es zu einem Fertigprodukt wird. Die Abbildung 1 stellt die wichtigste Vorgänge der keramischen Produktion am Beispiel der Herstellung von Implantaten dar. Produktspezifische Eigenschaften erhält es nicht sofort und lässt sich durch konventionelle zerspanende Verfahren, wie Drehen, Fräsen, Bohren in bestimmten Vorgängen der Grünbearbeitung recht einfach bearbeiten. In Bezug auf Keramik bezieht sich die "Grünbearbeitung" auf die Phase der Bearbeitung von Keramikwerkstücken im rohen oder unvollständigen Zustand, nachdem sie aus einer Form genommen wurden, aber bevor sie den endgültigen Zustand durch Sintern erreichen.
Der erste Schritt in der keramischen Aufbereitung besteht darin, die benötigten Rohstoffe zu beschaffen. Diese Rohstoffe können verschiedene Arten von Ton, Kaolin, Feldspat, Quarz, und andere mineralische Verbindungen umfassen, je nach den spezifischen Eigenschaften und Anforderungen des Endprodukts.
Einige der häufigsten Arten von Keramiken sind:
Oxidkeramiken
Aluminiumoxid (Al2O3): Es ist eines der am häufigsten verwendeten technischen Keramiken und zeichnet sich durch hohe Härte, Verschleißfestigkeit und thermische Stabilität aus. Es wird oft für Schleif- und Schneidwerkzeuge, Widerstände und Isolatoren verwendet.
Zirkoniumdioxid (ZrO2): Bekannt für seine hohe Zähigkeit und Bruchfestigkeit, wird es in Dentalimplantaten, Kugellagern und anderen Anwendungen eingesetzt, die Festigkeit und Zähigkeit erfordern.
Siliciumkarbid (SiC): Siliciumkarbid ist ein extrem hartes Material mit hervorragenden thermischen und chemischen Eigenschaften. Es wird häufig in Schleifmitteln, Schleifscheiben, Dichtungen und Hochtemperaturanwendungen eingesetzt.
Nitridkeramiken
Siliziumnitrid (Si3N4): Es ist bekannt für seine hohe Festigkeit, Zähigkeit und Hitzebeständigkeit. Es wird in Wälzlagern, Hochtemperaturdichtungen und Turbinenkomponenten verwendet.
Aluminiumnitrid (AlN): Ein ausgezeichneter Wärmeleiter, der in elektronischen Bauteilen und Hochleistungselektronik eingesetzt wird.
Carbide
Wolframkarbid (WC): Es ist extrem hart und wird häufig in Hartmetallen für Schneidwerkzeuge und Verschleißteile verwendet.
Titankarbid (TiC): Ein hartes Material, das in Beschichtungen, Schneidwerkzeugen und Hochtemperaturanwendungen eingesetzt wird.
Porzellan
Porzellan ist eine spezielle Form von Keramik, die durch das Brennen einer Mischung aus Kaolin und anderen Materialien bei hohen Temperaturen hergestellt wird. Es wird häufig für Geschirr, Fliesen und Dekorationsgegenstände verwendet.
Glasuren und Emaille
Diese Keramiken werden normalerweise als Oberflächenbeschichtungen auf anderen keramischen Materialien verwendet, um sie zu versiegeln, zu dekorieren und wasserfest zu machen.
Während der keramischen Aufbereitung werden die Rohstoffe zerkleinert und gemahlen, um die gewünschte Korngröße und -verteilung zu erreichen. Dieser Schritt verbessert die Mischbarkeit der Rohstoffe und erleichtert die Weiterverarbeitung. Keramik wird oft in einer Pulver- oder pastösen Form gepresst und dann bei hoher Temperatur gesintert, um eine feste und dauerhafte Struktur zu erhalten. Während der Grünbearbeitung von Keramik weisen die Werkstücke noch eine poröse, unvollständige Struktur auf und sind in der Regel weitaus weniger fest als das endgültige gesinterte Material. Die Grünbearbeitung ermöglicht es, grobe Formgebung, Entfernen von überschüssigem Material und eine erste Bearbeitung vor dem Sintern durchzuführen und ist daher ein entscheidender Schritt in der Herstellung von keramischen Produkten. Der Sintervorgang erhöht die Dichte und Festigkeit der Keramik und führt zu einer vollständigen Verbindung der Partikel, wodurch das Endprodukt seine endgültigen mechanischen und physikalischen Eigenschaften erhält. Bei der Hartbearbeitung von Keramik werden oft extrem harte Schneidwerkzeuge wie Diamantschleifscheiben oder Diamantsuspensionen verwendet. Das Schleifen ist eine häufig verwendete Methode bei der Hartbearbeitung von Keramik. Es umfasst das Abtragen von Material von der Werkstückoberfläche, um die gewünschte Form und Oberflächenqualität zu erreichen.
Nach dem Schleifen kann eine Oberflächenbehandlung durch Polieren erforderlich sein, um die gewünschte Oberflächengüte und tribologische Eigenschaften zu erzielen. Die Reinigung in der Keramikherstellung ist ein wichtiger Schritt, um sicherzustellen, dass die hergestellten keramischen Produkte frei von Verunreinigungen, Staub, Schmutz oder anderen Rückständen sind. Eine gründliche Reinigung ist entscheidend, da selbst kleinste Verunreinigungen die Qualität der keramischen Produkte beeinträchtigen können. Abschließend müssen umfangreiche Tests und Inspektionen der fertigen Produkte durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass sie den Qualitätsstandards und den spezifizierten Toleranzen entsprechen (Abbildung 2). Dies kann mechanische Tests, chemische Analysen, Oberflächeninspektionen, Sichtkontrolle und andere Prüfverfahren umfassen.
Die Herstellung keramischer Implantate erfordert höchste Präzision und Qualitätskontrolle, da die Implantate im menschlichen Körper eingesetzt werden und sicherstellen müssen, dass sie biokompatibel, mechanisch stabil und langlebig sind. Die Produktion von medizinischen Implantaten unterliegt strengen regulatorischen Anforderungen und Qualitätsstandards, um die Sicherheit der Patienten zu gewährleisten.
Keramische Fertigung wird in vielen Anwendungen eingesetzt, darunter die Herstellung von Geschirr, Fliesen, Sanitärkeramik, Elektronikkomponenten, Isolatoren, Schleifkörpern, und sogar in der Medizin. Es handelt sich um einen komplexen Prozess, der sowohl traditionelle Handwerkskunst als auch moderne Technologien umfassen kann, um hochwertige Keramikprodukte herzustellen.
Quelle:
[1] YouTube-Kanal „Mathys AG Bettlach“